《流体力学》实验指导书

实验（一）流体静力学综合性实验
一、实验目的和要求
掌握用测压管测量流体静压强的技能；通过测量静止液体点的静水压强，加深理解位臵水头、压强水头、及测管水头的基本概念；观察真空现象，加深对真空度的理解；验证不可压缩流体静力学基本方程；测量油的重度。

二、实验装臵
本实验装臵如图1.1所示
图1.1流体静力学综合性实验装臵图
1.测压管
2.带标尺测压管
3.连通管
4.真空测压管
5.U 型测压管
6.通气阀
7.加压打气球
8.截止阀
9.油柱 10.水柱 11.减压放水阀
说明：
1.所有测压管液面标高均以标尺(测压管2)零度数为基准；
2.仪器铭牌所注▽B 、▽C 、▽D 系测点B 、C 、D 标高；若同时取标尺零点作为静力学基本方程的基准，则▽B 、▽C 、▽D 亦为ＺB 、ＺC 、ＺD
3.本仪器中所有阀门旋柄顺管轴线为开。

4.测压管读数据时，视线与液面保持水平，读凹液面最低点对应的数据。

三、实验原理
1在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程
const γ
p
z =+
或h p p γ+=0
式中：z —被测点在基准面以上的位臵高度；
p —被测点的静水压强，用相对压强表示，以下同；
0p —水箱中液面的表面压强
γ—液体容重； h —被测点的液体深度。

上式表明，在连通的同种静止液体中各点对于同一基准面的测压管水头相等。

利用液体的平衡规律，可测量和计算出连通的静止液体中任意一点的压强，这就是测压管测量静水压强的原理。

压强水头
γ
p
和位臵水头z 之间的互相转换，决定了夜柱高和压差的对应关系：h γp ∆=∆ 对装有水油（图1.2及图1.3）U 型侧管,在压差相同的情况下，利用互相连通的同种液体的等压面原理可得油的比重So 有下列关系：
2
1100h h h γγS w
+=
=
图1.2 图1.3
据此可用仪器（不用另外尺）直接测得So 。

四、实验方法与步骤
1.搞清仪器组成及其用法。

包括： 1）各阀门的开关；
2）加压方法 关闭所有阀门（包括截止阀），然后用打气球充气； 3）减压方法 开启筒底阀11放水
4）检查仪器是否密封 加压后检查测管1、2、5液面高程是否恒定。

若下降，表明漏气，应查明原因并加以处理。

2.记录仪器号N O。

及各常数（计入表1.1）
3.量测点静压强（各点压强用厘米水柱高表示）。

1）打开通气阀6（此时p o=0），记录水箱液面标高▽0和测管2液面标高▽H（此时▽o =▽H）;
2)关闭通气阀6及截止阀8，加压使之形成P o＞0，测记▽o及▽H；
3）打开放水阀11，使之形成P o＜0（要求其中一次p B
γ
<0,即▽H＜▽B），测记▽o及▽H
4.测出4号测压管插入小水杯中的深度。

5.测定油比重So。

1）开启通气阀6，测记▽o；
2）关闭通气阀6，打气加压（P o＞0），微调放气螺母使U型管中水面与油水交界面齐平（图1.2），测记▽o及▽H（此过程反复进行三次）；
3）打开通气阀，待液面稳定后，关闭所有阀门；然后开启放水阀11降压（P o＜0），使U型管中的水面与油面齐平（图1.3），测记▽o及▽H（此过程亦反复进行三次）。

3
五、实验成果及要求
1.记录有关常数。

实验装臵台号NO.________ 各测点的标尺读数
▽B = cm ，▽C = cm ，▽D = cm ，γw = 9.8*10-3
N/cm 3
2.分别求出各次测量时A 、B 、C 、D 点的压强，并选择一基准检验同一静止液体内的任意二点C 、D 的（γ
p
z +
）是否为常数。

3.求出油的容重。

4.测出4号测压管插入小水杯水中深度。

六、实验分析与讨论
1.同一静止液体内的测压管水头线是根什么线？
2.当PB<0时，试根据记录数据确定水箱内的真空区域。

3.若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定
O γ。

4.如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？
5.过C 点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？
6.分析在实验测量过程中产生测量误差的原因，应该采取哪些措施尽量减少误差。

实验（五）恒定总流伯努利方程综合性实验
一、实验目的与要求
验证流体恒定总流的能量方程；观察恒定流条件下管道断面或管程高度发生改变时，水流的位臵时能、压强势能和动能的沿程变化规律；考察均匀流、渐变流、急变流及水流的特征；掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技能。

绘制测压管的水头线和总水头线。

二、实验装臵
本实验的装臵如图5.1所示
图5.1伯努利方程综合性实验装臵图
1.自循环供水器
2.实验台
3.可控硅无级调速器
4.溢流板
5.稳水孔板
6.恒压水箱
7.测压计
8.滑动测量尺
9.测压管 10.实验管道 11.测压点 12.毕托管 13.流量调节阀
说明
本仪器测压管有两种：
1.毕托管侧压管（表3.1中标*的测压管），用以测读毕托管探头对准点的总水头H ’
(g u p
2z 2
++=γ)，需注意一般情况下H ’与断面总水头H （g
υγp z 22++=）不同（因一般u ≠υ），
它的水头线只能定性表示总水头变化趋势；
2.普通测压管（表
3.1未标*者），用以定量量测测压管水头。

实验流量用阀13调节，流量由体积时间法（量筒、秒表另备）、重量时间法（电子秤另备）或电测法测量（以下实验类同）。

三、实验原理
在实验管路中沿管内水流方向取n 个过水断面。

可以列出进口断面（1）至另一断面（i ）的能量方程式（i=2、3……，n ）
i w i i i i h g
p z g p z -+++=+
+122
111122υαγυαγ
取α1 = α2 = … αn = 1，选好基准面，从已设臵的各断面的测压管中读出γ
p z +
值，测
出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速υ及g
22
αυ，从而即可得到各断面测管水头和总
水头。

四、实验方法与实验步骤
1.熟悉实验设备，分清哪些测管是普通测压管，哪些是毕托管测压管，以及两者功能的区别。

2.打开开关供水，使水箱充水待水箱溢流，检查调节阀关闭后所有测压管水面是否齐平。

如不平则需查明故障原因（例连通管受阻、漏气或夹气泡等）并加以排除，直至调平。

3.打开阀13，观察思考1）测压管水头线和总水头线的变化趋势；2）位臵水头、压强水头之间的相互关系；3）测点（2）、（3）测管水头同否？为什么？4）测点（12）、（13）测管水头是否不同？为什么？5）当流量增加或减少时测管水头如何变化？
4.调节阀13开度，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记实验流量（毕托管供演示用，不必测记读数）。

5、改变流量两次，重复上述测量。

其中一次阀门开度大到使19号测管液面接近标尺零点。

注意：（1）实验时流量不宜太小，以保证测量精度；（2）当改变流量时，必须在流量稳定后再进行测量。

五、实验成果及要求 1.记录有关常数
均匀段D 1= cm 缩管段D 2= cm 扩管段D 3= cm 水箱液面高▽o= cm 上管道轴线高程▽c= cm
注（1）测点6、7所在断面内径为D 2，测点16、17为D 3，余均为D 1。

（2）标*者为毕托管测点（测点编号见图3.2）。

（3）测点2、3为直管均匀流段同一断面上的两个测压点，10、11为弯管非均匀流段同一断面上的两个测点。

.
2.量测（γ
p
z +
）并计入表3.2
表5.2 测记（γ
p z
）数值表 （基准面选在标尺的零点上） 单位：cm
3.计算流速水头和总水头。

4.绘制上述成果中最大流量下的总水头线E-E 和测压管水头线P-P （轴向尺寸参见图3.2，总水头线和测压管水头线可以绘在图3.2上）。

提示：
1.P-P 线依表3.2数据绘制，其中测点10、11、13数据不用；
2.E-E 线依表
3.3（2）数据绘制，其中测点10、11数据不用 3.在等直径管段E-E 与P-P 线平行
图5.2
六、成果分析及讨论
1.测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？
2.流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？
3.测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题？
4.毕托管所显示的总水头线与实测绘制的总水头线一般都略有差异，试分析其原因
5.试问避免喉管（测点7）处形成真空有哪几种技术措施？分析改变作用水头（如太高或降低水箱的水位）对喉管压强的影响情况。

表5.3计算数值表
（1）流速水头
（2）总水头（
αp z V 2
++） 单位：cm
七、课外拓展
1.利用图5.1实验装臵证明缓变流断面测压管水头为一常数实验方案设计
2.自循环虹吸原理实验方案设计
实验（六）动量定律综合性实验
一、实验目的与要求
测定射流对平板的冲击力，验证不可压缩流体恒定流的动量方程；了解动量与流速、流量、出射角度、动量矩等概念，测定动量修正系数；了解活塞式动量定律实验仪原理、构造及其使用方法，进一步启发与培养创造性思维的能力。

二、实验装臵
本实验的装臵如图6.1所示
图6.1动量定律综合型实验装置图
1.自循环供水器
2.实验台
3.可控硅无极调速器
4.水位调节阀
5.恒压水箱
6..管嘴
7.集水箱
8.带
活塞的测压管9.带活塞和翼片的抗冲平板10.上回水管
自循环供水装置1由离心式水泵和蓄水箱组合而成。

水泵的开启、流量大小的调节均由调速器3控制。

水流经供水管供给恒压水箱5，溢流水经回水管流回蓄水箱。

流经管嘴6的水流形成射流，冲击带活塞和翼片的抗冲平板9，并以与入射角成90。

的方向离开抗冲平板。

抗冲平板在射流冲力和测压管8中的水压力作用下处于平衡状态。

活塞形心水深h c可由测压管8测得，由此可求得射流的冲力，即动量力F。

冲击后的弃水经集水箱7汇集后，再经上回水管10流出，最后经漏斗和下回水管流回蓄水箱。

为了自动调节测压管内的水位，以使带活塞的平板受力平衡并减少摩擦阻力对活塞的影响，本实验装置应用了自动控制的反馈原理和动摩擦减阻技术，其构造如下：带活塞和翼片的抗冲平板9和带活塞套的测压管8如图3.4所示，该图是活塞退出活塞套时的分部件示意图。

活塞中心设有一细导水管a，进口端位于平板中心，出口端伸出活塞头部，出口方向与轴向垂直。

在平板上设有翼片b,活塞套上设有窄槽c 。

工作时，在射流冲击力作用下，水流经导水管a向测压管内加水，当射流冲击力大于测压管内水柱对活塞的压力时，活塞内移，窄槽c关小，水流外溢减少，使测压管内水位升高，
水压力增大。

反之，活塞外移窄槽开大水流外溢增多，测压管内水位降低，水压力减少。

在恒定射流冲击下，经短时间的自动调整，即可达到射流冲击力和水压力的平衡状态，这时活塞处在半进半出、窄槽部分开启的位置上，过a 流进测压管的水量和过c 外溢的水量相等。

由于平板上设有翼片b ，在水流冲击下，平板带动活塞旋转，因而克服了活塞在沿轴向滑移时的静摩擦力。

为验证本装置的灵敏度，只要在实验中的恒定流受力平恒状态下，人为地增减测压管中的液位高度，可发现即使改变量不足总液柱高度的±5‰（约0.5-1mm ）,活塞在旋转下亦能有效地克服动摩擦力而作轴向位移，开大或减少窄槽c ，使过高的水位降低或过低的水位提高，恢复到原来的平衡状态。

这表明该装置的灵敏度高达0.5%，亦即活塞轴向动摩擦力不足总动量力的5‰。

图6.2 图6.3
三、实验原理
恒定总流动量方程为
)(1122υβυβQ ρF -=
取脱离体如图3.5所示，因滑动摩擦阻力水平分力ƒx ＜0.5%F X ，可忽略不计，故x 方向的动量方程化为
F X = - p c A = - γh c
4
πD 2
=ρQ （0 – β1υ1x ） 即 β1ρQ υ1x -
4
π
γh c D 2 = 0 式中：h c ——作用在活塞形心处的水深；D ——活塞的直径；Q ——射流流量；υ1x ——射流的流速；β1——动量修正系数。

实验中，在平衡状态下，只要测的流量Q 和活塞形心水深h c ，由给定的管嘴直径d 和活塞直径D ，代入上式，便可率定射流的动量修正系数β1值，并验证动量定律。

其中，测压管的标尺零点已固定在活塞的圆心处，因此液面标尺读数，即为作用在活塞圆心处的水深。

四、实验方法与实验步骤
1.准备熟悉实验装臵各部分名称、结构特征、作用性能，记录有关常数。

2.开启水泵打开调速器开关，水泵启动2~3分钟后，关闭2~3秒钟，以利用回水排出离心式水泵内滞留的空气。

3.调整测压管位臵待恒压水箱满顶溢流后，松开测压管固定螺丝，调整方位，要求测压管垂直、螺丝对准十字中心，使活塞转动松快。

然后旋转螺丝固定好。

4.测读水位标尺的零点已固定在活塞圆心的高程上。

当测压管液面稳定后，记下测压管内
液面的标尺读数，即h c值。

5.测量流量用体积法或重量法测流量时，每次时间要求大于20秒，若用电测仪测流量时，则需在仪器量程范围内，均需重复测三次再取均值。

6.改变水头重复实验逐次打开不同高度上的溢水孔盖，改变管嘴的作用水头，调节调速器，使溢流量适中，待水头稳定后，按3—5步骤重复进行实验。

7.验证υ2x≠0对F X的影响取下平板活塞，使水流冲击到活塞套内，调整好位臵，使反射水流的回射角度一致，记录回射角度的目估值、测压管作用水深h C’和管嘴作用水头H O。

五、实验成果及要求
1.记录有关常数实验装臵台号N o--------------
管嘴内经d = cm 活塞直径D= cm 。

2.设计实验参数记录、计算表，并填入实验数据。

3.取某一流量，绘出脱离体图，阐明分析计算的过程。

六、实验分析与讨论
1.实测
β（平均动量修正系数）与公认值（β = 1.02 ~ 1.05）符合与否？如不符合，
试分析原因。

2.带翼片的平板在射流作用下获得力矩，这对分析射流冲击无翼片的平板沿x方向的动量方程有无影响？为什么？
3.若通过细导水管的分流，其出流角度与υ2相同，对以上受力分析有无影响？
4.滑动摩擦力ƒx为什么可以忽略不计？使用实验来分析验证ƒx的大小，记录观察结果。

（提示：平衡时，向测压管内加入或取出1mm左右深的水量，观察活塞及液位的变化）。

5. υ2x若不为零，会对实验结果带来什么影响？试结合实验步骤7的结果予以说明。